JP2015010868A - センサ用高耐圧冷却容器及び地下探査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 センサ用高耐圧冷却容器及び地下探査装置に関し、１．０ＭＰａを超える高圧の中でＳＱＵＩＤを長時間にわたり安定した動作温度に冷却し続けることを可能にする。【解決手段】 １．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する耐圧密閉容器と、前記耐圧密閉容器内に収容される相転移冷却剤保温用器と、前記耐圧密閉容器に接続された１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する相転移冷却剤リリース用チューブとを備える。【選択図】 図１
Description
本発明は、センサ用高耐圧冷却容器及び地下探査装置に関し、例えば、地下資源探査装置等に用いる超電導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）を用いたセンサを収容する冷却容器の高耐圧構造に関する。
高温超電導体を用いたＳＱＵＩＤは、地下資源探査装置、地磁気観測装置、非破壊検査装置などのセンサ機器に用いられている。このようなＳＱＵＩＤを用いたセンサ機器は、液体窒素冷却を必要とし、低ノイズであることが要求されている。特に、深度１０００ｍを超えるボーリングケーシング内に検層用ＳＱＵＩＤ装置を挿入した地下資源探査装置は石油増産技術のためのＣ０２圧入のモニタリングや、シェールガスのモニタリング技術にとって重要になる。
例えば、従来、単純な石油汲み上げ技術では埋蔵量の約３０％程度しか汲み上げることができなかった。しかし、近年、石油含有岩石層に高圧のＣＯ２を圧入して石油回収効率を上げるＥＯＲ（ＥｎｈａｎｃｅｄＯｉｌＲｅｃｏｖｅｒｙ：原油増進回収）技術が開発されている。このＥＯＲ技術を用いることによって、石油回収率は約９０％程度まで大幅に向上する。
しかし、従来の人工地震波等の振動を利用した技術ではＣＯ２、水が石油含有岩石層のどの領域でどの程度含浸されているかを正確に検知することができなかった。そこで、石油含有岩石層に達する深い穴をほり、一方で励磁コイルにより磁場を発生させ、離れた位置で炭素鋼などの管状体からなるボーリングケーシング内に収容した、電磁コイルなどの磁気センサにより、外部に置いた励磁コイルによる磁場の変化により地層の比抵抗の分布を検知することによって水やＣＯ２の含浸量を測定していた。このような測定は導電性のケーシング越しに磁場の変化を測定するため、高い周波数成分が減衰するため電磁誘導による起電力を検出する従来型の磁気センサでは、高い感度が得られないという問題があった。これに対し、超電導を利用したＳＱＵＩＤは、感度が高くかつ静磁場の測定が可能なため、ケーシング越しの測定が容易になる一方、測定自体が地下３０００ｍを超える深い場所で行われる場合があり、そのためには、３０ＭＰａの圧力に耐える、容器が必要になる。
また、ＳＱＵＩＤを長時間安定動作させるためには、超電導臨界温度以下に温度を保つ必要があるが、ＳＱＵＩＤを収容する密閉容器内圧力が上がると液体窒素の沸点が上昇して超電導臨界温度を保持できなくなる。
図１５は、液体窒素の沸点の圧力依存性の説明図であり、圧力の上昇とともに沸点も上昇する。図から明らかなように、密閉容器内圧力を０．１３ＭＰａ以下に保持しなければ、８０Ｋ以下の温度を維持することができず、高温超電導ＳＱＵＩＤの動作が困難になることを意味している。
特技懇 ｎｏ．２６４，ｐ．９２−ｐ．１００，２０１２．０１．３０
しかし、従来、高温超電導体を用いたＳＱＵＩＤで、水深１００ｍに相当する１．０ＭＰａを超える圧力環境下で使用可能なものはなかった。また、密閉容器内でＳＱＵＩＤを冷却する技術が開発されてこなかった。例えば、冷凍機を用いた場合には、電磁ノイズと振動ノイズを発生し、ＳＱＵＩＤの高感度性を発揮することが困難である。
また、液体窒素を用いた場合、気化することでおよそ７００倍に体積が膨張するため、密閉容器内では圧力が上昇して液体窒素の沸点が上昇する。その結果、図１５に示したように、圧力が０．１３ＭＰａを超えると沸点が８０Ｋを超え、超電導臨界温度を超えるためＳＱＵＩＤの長時間安定動作が困難になる。
したがって、本発明は、１．０ＭＰａを超える高圧の中でＳＱＵＩＤを長時間にわたり安定した動作温度に冷却し続けられる高耐圧冷却容器を提供することを目的とする。
開示する一観点からは、１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する耐圧密閉容器と、前記耐圧密閉容器内に収容される相転移冷却剤保温容器と、前記耐圧密閉容器に接続された１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する相転移冷却剤リリース用チューブとを備えたことを特徴とするセンサ用高耐圧冷却容器が提供される。
また、開示する別の観点からは、上記のセンサ用高耐圧冷却容器の相転移冷却剤保温容器の内部に相転移冷却剤を収容するとともに、前記相転移冷却剤内にセンサを浸漬したことを特徴とする地下探査装置が提供される。
開示のセンサ用高耐圧冷却容器及び地下探査装置によれば、１．０ＭＰａを超える高圧の中でＳＱＵＩＤを長時間にわたり安定した動作温度に冷却し続けることが可能になる。
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態のセンサ用高耐圧冷却容器及び地下探査装置を説明する。図１は、本発明の実施の形態のセンサ用高耐圧冷却容器の説明図であり、図１（ａ）は要部透視斜視図であり、図１（ｂ）は分解斜視図である。
図に示すように、センサ用高耐圧冷却容器１０は、１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する耐圧密閉容器１１と、その内部に収容される保護内装１２と、その内部に収容される相転移冷却剤保温容器１３を備えている。また、相転移冷却剤保温容器１３の内部には温度計１４が備えられており、保護内装１２の頂部近傍には圧力センサ１５が備えられているとともに、保護内装の外周部には漏水検知器１６が設けられている。後述するように、この耐圧密閉容器に１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する相転移冷却剤リリース用チューブ（１７）を接続することにより、センサ用高耐圧冷却容器１０となる。
耐圧密閉容器１１及び相転移冷却剤リリース用チューブ(１７)に用いる１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を実現する耐圧外装としては、非磁性かつ耐熱２００℃以上の材料を用いた。非磁性材料として、耐水性エンジニアリングプラスチック、カーボンおよびガラス繊維添加強化プラスチック、セラミックス、チタン、アルミ、ステンレスなどの材料を用いることができる。地中深度が深くなれば、環境温度は上昇し、２００℃を越える場合も想定される。そのため、プラスチックを用いる場合はＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）材やＰＰＳ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ）、ＲＥＮＹ（ガラス繊維５０％強化ポリアミドＭＸＤ６：登録商標）、ＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）といった耐熱性の高いプラスチックを用いることが必要となる。
耐熱材料は容器本体だけではなく、ガスケットやＯリングなどのシーリング材料にも求められる。シーリング材料としてはフッ素系高分子素材からなるナフロン（登録商標）ガスケットやナフロン（登録商標）ペースト、Ｏリングは、耐熱温度２００℃を超えるフッ素ゴムの他、耐熱温度３００℃を超える高機能ゴム（パーフロロゴムなど）を用いることが有効である。
相転移冷却剤保温容器１３としては、ガラスデュワが典型的であるが、機械的強度を向上させるとともに熱流入を防ぐために内側の真空層に厚さ２μｍ以下の金属メッキ、例えば、銀メッキを施すことが望ましい。過度に厚いメッキは、磁場の変化に伴う誘導電流を発生させる虞があるため好ましくない。また、ガラスには石英ガラス他、パイレックス（登録商標）などを用いることが可能である。このようなガラスデュワは衝撃には弱い一方、プラスチック材料と比較してアウトガスが少なく、メンテナンスすることなく長期間にわたり性能が安定するとともに、熱流入が少なく、少ない相転移冷却剤容量で長時間の相転移冷却剤を液体状態で保持可能である。
また、相転移冷却剤本容器１３は、内径に対して長さが好ましくは１０倍乃至５０倍、さらに好ましくは１０乃至３０倍のガラス製真空デュワとすることが望ましい。このように細長く深いデュワを用いることで熱流入を減らせる。例えば、相転移冷却剤として液体窒素を用いた場合、３０倍を超えると、熱流量の点では有利であるが振動や、横に倒しての搬送で、破損しやすく、さらに５０倍を超えると液体窒素の圧力で液体窒素の沸点が上昇し、ＳＱＵＩＤの動作が不安定となる恐れがある。因みに、内径４０ｍｍ、長さ５００ｍｍのパイレックス（登録商標）製の真空デュワを用いた実験では、室温環境下で３０時間以上の液体窒素保持を確認した。液体窒素の蒸発量を減少させることで圧力上昇は小さくなり、窒素ガスリリース用チューブの小径化が可能となる。
また、耐圧密閉容器１１の内部に、５０ＫＨｚ以上の高周波を遮断するＲＦシールドを備えていることが望ましい。外装にセラミックスやプラスチックのような非導電性材料や、高周波を透過しやすい高抵抗金属を用いた場合にはＲＦノイズによってＳＱＵＩＤ動作が困難になる場合があり、その場合には適切なＲＦシールドを内包する必要が生じる。ＲＦシールドの材料としては遮断する周波数によって、アルミ、金属メッキ（Ｎｉ−Ｃｕメッキなど）を施した布製シールド、金属線（銅、銀、リン青銅など）で構成したメッシュなどを用いることができ、特に、Ｎｉ−Ｃｕメッキは、抵抗が大きいため発生した誘導電流の減衰定数が１０−７ｓｅｃ程度であり、１０−３ｓｅｃ程度のＡｌに比べて４ケタ程度小さいので誘導電流の影響を受けることが少ないので好適である。なお、ＲＦ源は送電線からの１００ＫＨｚのＲＦノイズが典型的なものであるが、近隣で作動する機械等もＲＦ源になる。ＲＦシールドとしては、１層の厚さが１００μｍ程度のものを用途に応じて３層乃至９層程度重層して使用する。
また、相転移冷却剤保温容器１３の内部に、相転移冷却剤吸収材を備えることが望ましい。地下資源探査においては、地下探査装置、典型的には、ＳＱＵＩＤ地下探査装置が傾斜する場合が多々あり、相転移冷却剤保温容器１３が傾いた場合に液体窒素等の相転移冷却剤が容易に相転移冷却剤保温容器１３内から溢れることになる。このような溢れ出しを防ぐのに相転移冷却剤吸収材は有効である。また、蒸発した相転移冷却剤によるバブリングは、時としてＳＱＵＩＤプローブに振動を誘発し、ノイズの原因ともなる。この振動ノイズは特に低周波の測定を妨げるが、内包された相転移冷却剤吸収材は、バブリングの振動を吸収し、ノイズの発生を防ぐ効果も有する。相転移冷却剤吸収剤、特に、液体窒素吸収材としては。ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）スポンジや、メラミンフォームが有効である。なお、ＰＶＡスポンジは、孔のサイズを設計通りに精度良く形成することができるので、液体窒素の吸い上げ量を制御することができる。
図２は、本発明の実施の形態の地下探査装置の説明図であり、図１に示したセンサ用高耐圧冷却容器の相転移冷却剤保温容器１３内に、液体窒素等の相転移冷却剤１８を充填してＳＱＵＩＤ等のセンサ２１を浸漬するとともに、耐圧密閉容器１１に信号入出力用ケーブル２２を接続する。信号入出力用ケーブル２２の内部には複数本の信号線が収容されており、探査深度が深い場合には、光ファイバを信号線として用いる。また、センサ２１と信号入出力用ケーブル２２との間には、ＦＬＬ（ＦｌｕｘＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路等のセンサ制御系２３が設けられる。なお、耐圧密閉容器１１のサイズは使用態様によって様々であるが、一般的には長さが１ｍ〜２．５ｍで外径が８０ｍｍ〜２００ｍｍ程度である。また、信号入出力用ケーブル２２の一般的な外径は１５ｍｍ程度である。また、信号入出力用ケーブル２２に内包される信号線は、センサがＳＱＵＩＤの場合、ＳＱＵＩＤ１チャネル当り６本必要になり、また、姿勢検知用のセンサへの信号線も必要になるので、２０本程度以上内包することが一般的である。
また、相転移冷却剤リリース用チューブ１７は、複数のチューブの集合体により形成しても良く、ケーブルワイヤのように捩じりながら一体化することにより機械強度が増す。また、相転移冷却剤リリース用チューブ１７は信号入出力用ケーブル２２に内包されるようにしても良く、さらに、耐圧が高まるので、高深度探査用に好適である。
また、相転移冷却剤リリース用チューブ１７の内圧を耐圧密閉容器１１の内部の圧力に対して陰圧に保持し、且つ、耐圧密閉容器１１の内部の圧力を０．０４ＭＰａ乃至０．１３ＭＰａに保持する圧力保持機構を備えることが望ましい。なお、０．０４ＭＰａは液体窒素の沸点が約７０Ｋの気圧に相当し、０．１３ＭＰａは８０Ｋの気圧に対応する。
また、耐圧密閉容器１１の内部に設けた圧力センサ１５の検出出力をフィードバック制御して耐圧密閉容器１１の内部の温度を一定に保つようにすることが望ましい。圧力上昇に比べて温度上昇は緩やかであるので、温度を検知して温度制御した場合には、急減な圧力上昇に対応できなくなる。したがって、圧力の変化を検出して圧力を制御することによって温度制御を行うと圧力の急激な変動に対応できることになる。
このような、目的のために、相転移冷却剤リリース用チューブ１７にバルブを開閉する開閉機構を設けても良い。或いは、信号入出力用ケーブル２２に内包された複数本の相転移冷却剤リリース用チューブ１７の内の複数本を常時大気に対して解放状態の相転移冷却剤リリース用チューブとし、他を内部を陰圧に保持し且つバルブを介して接続しても良い。
このように、耐圧密閉容器１１に、容器内圧力の上昇を防ぐための相転移冷却剤リリース用チューブ１７を接続しているので、耐圧密閉容器１１内の圧力を一定に保つことができ、高圧下でのＳＱＵＩＤ等のセンサの動作を可能とする。特に、開口部の小さなデュワを用いることで熱流入を減少させて、小容量で長時間液体窒素等の相転移冷却剤を保持できるようにするとともに、蒸発量やリリースチューブ長さに合わせた内径の相転移冷却剤保温容器リリース用チューブ１７とすることで、内圧制御がより容易になる。なお、この地下探査装置が地下資源探査のみならず、高層ビルの地下の岩盤状態の探査等にも用いられるものであり、したがって、相転移冷却剤リリース用チューブ１７及び信号入出力用ケーブル２２の長さは２０ｍ〜４０００ｍとなり、４０００ｍの場合には、４０ＭＰａ以上の耐圧が必要になる。
本発明の実施の形態によれば、地下探査装置において、従来困難であったケーシング内でのＳＱＵＩＤ等のセンサによる検層が可能となる。特にＳＱＵＩＤは高感度であるばかりではなく、省スペースで指向性のある３次元データを取得することができる。これは従来のいかなる素子においてもでき得なかったことで、石油、天然ガス、ＥＯＲをはじめとする資源技術において画期的な探査及びモニタリング技術を提供することが可能になり、延いては、資源、エネルギー分野への技術的貢献度が極めて高い。
次に、図３及び図４を参照して、本発明の実施例１のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでは探査深度として２０ｍ〜１０００ｍに想定した例として説明する。図３は、本発明の実施例１のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性のステンレス製の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
高耐圧耐熱密閉容器３１の頂部には、ＳＱＵＩＤ制御系３５からの信号を取り出す信号線が収容された耐圧信号ケーブル３６が接続されるとともに、高耐圧耐熱密閉容器３１の内部の圧力を一定に保つためのステンレス製のリリースチューブ３７を接続する。
このように、耐圧信号ケーブル３６とリリースチューブ３７を分離する事で構成は単純になる。但し、探査深度が深くなり、つり下げ長さが長くなれば取り回しが困難になる。そのため、このような構成は、１０００ｍ以下、典型的には３００ｍ以下のリリースチューブとして有効な構成であり、耐圧性能としては、１０ＭＰａ以下、典型的には、３ＭＰａ以下となる。
図４は、リリースチューブの内径及び長さとそれに対する蒸発窒素の抵抗による圧力上昇の関係の計算結果を示す図である。温度を８０Ｋ以下に保持することを想定すると、上昇圧力を０．０３ＭＰａ（圧力０．１３ＭＰａ）以下にする必要があり、３０００ｍの長さでは７ｍｍ程度の内径を有するリリースチューブが不可欠であることがわかる。
このような内径のリリースチューブは、巻き取りなどの操作が困難なケースがあるため、例えば、より細い複数のチューブを組み合わせ、相当する断面積を得ることで、操作を容易にすることも可能である。
このような内径のリリースチューブは、巻き取りなどの操作が困難なケースがあるため、例えば、より細い複数のチューブを組み合わせ、相当する断面積を得ることで、操作を容易にすることも可能である。
次に、図５を参照して、本発明の実施例２のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでも探査深度として２０ｍ〜１０００ｍに想定して耐圧信号ケーブルとリリースチューブを分離した例として説明する。図５は、本発明の実施例２のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性のステンレス製の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
高耐圧耐熱密閉容器３１の頂部には、ＳＱＵＩＤ制御系３５からの信号を取り出す信号線が収容された耐圧信号ケーブル３６が接続されるとともに、高耐圧耐熱密閉容器３１の内部の圧力を一定に保つためのステンレス製のリリースチューブ３７を接続する。
この実施例２においては、液体窒素用デュワ３２として内径に対して長さが１０倍以上のデュワを用いる。このように、細長く深いデュワを用いることで熱流入を減し、少ない容量で長時間冷却することが可能になる。例えば、内径４０ｍｍ、長さ５００ｍｍのパイレックス（登録商標）製の真空デュワを用いた実験では、３０時間以上の液体窒素保持を確認した。このように、細長く深いデュワを用いることで液体窒素の蒸発量を減少させて圧力上昇を小さくし、リリースチューブの小径化が可能となる。
次に、図６を参照して、本発明の実施例３のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでも探査深度として２０ｍ〜１０００ｍに想定して耐圧信号ケーブルとリリースチューブを分離した例として説明する。図６は、本発明の実施例３のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
高耐圧耐熱密閉容器３１の頂部には、ＳＱＵＩＤ制御系３５からの信号を取り出す信号線が収容された耐圧信号ケーブル３６が接続されるとともに、高耐圧耐熱密閉容器３１の内部の圧力を一定に保つためのステンレス製のリリースチューブ３７を接続する。
この実施例３においては、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿する。高耐圧耐熱密閉容器３１の外装にセラミックスやプラスチックのような非導電性材料や、送電線等からの高周波を透過しやすい高抵抗金属を用いた場合にはＲＦノイズによってＳＱＵＩＤ動作が困難になる場合がある。その場合には適切なＲＦシールド３８を介挿することが必要になる。
ＲＦシールド３８の材料としては遮断する周波数によって、アルミ、金属メッキ（Ｎｉ−Ｃｕメッキなど）を施した布製シールド、金属線（銅、銀、リン青銅など）で構成したメッシュなどを用いることができる。但し、Ｎｉ−Ｃｕメッキは誘導電流を発生しにくいので好適である。
次に、図７を参照して、本発明の実施例４のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでも探査深度として２０ｍ〜１０００ｍに想定して耐圧信号ケーブルとリリースチューブを分離した例として説明する。図７は、本発明の実施例４のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
また、高耐圧耐熱密閉容器３１の頂部には、ＳＱＵＩＤ制御系３５からの信号を取り出す信号線が収容された耐圧信号ケーブル３６が接続されるとともに、高耐圧耐熱密閉容器３１の内部の圧力を一定に保つためのステンレス製のリリースチューブ３７を接続する。また、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿する。
この実施例４においては、液体窒素用デュワ３２の内部の上部に液体窒素吸収材３９を挿入する。液体窒素吸収材としては。ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）スポンジを用いるが、メラミンフォームでも良い。
探査の際に、容器が傾いた場合に液体窒素３３が容易に液体窒素用デュワ３２内から溢れるのを防ぐのに有効である。また、蒸発した窒素によるバブリングは時としてＳＱＵＩＤ３４に振動を誘発し、ノイズの原因ともなる。この振動ノイズは特に低周波の測定を妨げる。内包された液体窒素吸収材３９は、バブリングの振動を吸収し、ノイズの発生を防ぐ効果も有する。
次に、図８を参照して、本発明の実施例５のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでは探査深度として１００ｍ〜２０００ｍに想定した例として説明する。図８は、本発明の実施例５のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。また、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿するとともに、液体窒素用デュワ３２の内部の上部に液体窒素吸収材３９を挿入する。
この実施例５においては、耐圧信号ケーブルとして、リリースチューブ３７を内包したアーマードケーブル４０を用いる。例えば、１０００ｍに及び耐圧容器をつり下げ、信号の送受信を行うためには外周を金属ワイヤで覆ったアーマードケーブルを用いる必要がある。アーマードケーブル４０はリリースチューブ３７の周囲に信号線４１を配置してその外周を覆う外皮を金属ワイヤ４２で覆った構造になる。
アーマードケーブル４０の外径は３０ｍｍ〜６０ｍｍ程度であり、外皮及び金属ワイヤを合せた厚さは３ｍｍ程度である。アーマードケーブル４０内に内包されることにより、リリースチューブ３７の耐圧は向上する。
次に、図９を参照して、本発明の実施例６のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでも探査深度として１００ｍ〜３０００ｍに想定した例として説明する。図９は、本発明の実施例６のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。また、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿するとともに、液体窒素用デュワ３２の内部の上部に液体窒素吸収材３９を挿入する。
この実施例６においては、耐圧信号ケーブルとして、リリースチューブを内包したアーマードケーブル５０を用いるが、ここでは、複数本のリリースチューブ５３を内包したアーマードケーブル５０を用いる。例えば、２．４ｍｍφの内径のステンレス製のリリースチューブ５３を７本束にした構造である。このような構成にすることで、耐圧信号ケーブルとしての柔軟性を保持したまま、より耐圧性能を向上させることが可能である。
次に、図１０を参照して、本発明の実施例７のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでは探査深度として１０００ｍ〜４０００ｍに想定した例として説明する。図１０は、本発明の実施例７のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
また、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿するとともに、液体窒素用デュワ３２の内部の上部に液体窒素吸収材３９を挿入する。
この実施例７においては、耐圧信号ケーブルとして、複数本のリリースチューブ５３を内包したアーマードケーブル５０を用い、アーマードチューブ５０に真空ポンプ６０を接続して、複数本のリリースチューブ５３内を陰圧に保つ。
リリースチューブが長くなった場合に、リリースチューブの内径に依存し、その抵抗およびリリースガスの重量で内圧の上昇を招く。これを避けるためにはリリースチューブ内を陰圧にして強制的に排気する必要が生じる。図４に示したように、リリースチューブの内径が５ｍｍ程度では、１０００ｍを超えるリリースチューブでは８０Ｋ以下（０．１３ＭＰａ以下）に維持することは自然なリリースだけでは困難となる。そこで、リリースチューブ内を陰圧に維持して、窒素ガスリリースを強制的に促す。
なお、真空ポンプ６０としては、ロータリーポンプ或いはブースター真空ポンプを用いる。ブースター真空ポンプは通常のロータリーポンプに比べると大型化するデメリットがある一方、排気量を大きくすることが可能で、リリースチューブが長くなった場合に有効である。
次に、図１１及び図１２を参照して、本発明の実施例８のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでは探査深度として１０００ｍ〜４０００ｍに想定した例として説明する。図１１は、本発明の実施例８のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
また、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿するとともに、液体窒素用デュワ３２の内部の上部に液体窒素吸収材３９を挿入する。また、耐圧信号ケーブルとして、複数本のリリースチューブ５３を内包したアーマードケーブル５０を用い、アーマードチューブ５０に真空ポンプ６０を接続して、複数本のリリースチューブ５３内を陰圧に保つ。
この実施例８においては、高耐圧耐熱密閉容器３１内に設けた圧力計６１により、高耐圧耐熱密閉容器３１内の圧力をモニタして、その検出出力により真空ポンプの吸引量を制御して内部の温度制御を精度良く行い高耐圧耐熱密閉容器３１の内部の温度を一定に保つ。
図１２は、圧力上昇と温度上昇の時間差の説明図であり、液体窒素の熱容量が原因で液体窒素の温度上昇は圧力上昇に対して遅延する。そのため、温度モニタによるフィードバックより、圧力モニタによるフィードバックがより繊細な温度制御には有効である。但し、この場合、圧力モニタが大気圧との差圧を計測できるようにするなど、内部構造に工夫が必要で、温度によるフィードバックに比べて構造が複雑化するデメリットもある。
次に、図１３を参照して、本発明の実施例９のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでは探査深度として１０００ｍ〜４０００ｍに想定した例として説明する。図１３は、本発明の実施例９のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
また、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿するとともに、液体窒素用デュワ３２の内部の上部に液体窒素吸収材３９を挿入する。また、耐圧信号ケーブルとして、複数本のリリースチューブ５３を内包したアーマードケーブル５０を用い、アーマードチューブ５０に真空ポンプ６０を接続して、複数本のリリースチューブ５３内を陰圧に保つ。
この実施例９においては、高耐圧耐熱密閉容器３１内に設けた圧力計６１により、高耐圧耐熱密閉容器３１内の圧力をモニタして、その検出出力により電磁バルブからなる圧力調整バルブ６２を操作して、高耐圧耐熱密閉容器３１の内圧と温度を一定に保つ。
このような構成とすることで、例えば、外部ポンプにフィードバック信号を送って制御する場合と比較して、迅速なフィードバックが可能となり、2０００ｍを越えるリリースチューブを必要とする場合の制御では有効である。また、環境圧力が増大すれば、高耐圧耐熱密閉容器３１内に浸水する事故の危険も増大する。緊急時に圧力調整バルブ６２を解放でき、強制的に陰圧にできる機構は、安全保持上も有用である。
次に、図１４を参照して、本発明の実施例１０のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置を説明するが、ここでは探査深度として１０００ｍ〜４０００ｍに想定した例として説明する。図１４は、本発明の実施例１０のＳＱＵＩＤ地下資源探査装置の要部透視斜視図であり、非磁性の高耐圧耐熱密閉容器３１内に、プラスチック製保護内装（図示は省略）を介してパイレックス（登録商標）製の液体窒素用デュワ３２を収容する。液体窒素用デュワ３２内に液体窒素３３を満たし、液体窒素３３内にＳＱＵＩＤ３４を浸漬し、このＳＱＵＩＤ３４をＳＱＵＩＤ制御系３５に接続する。
また、プラスチック製保護内装と液体窒素用デュワ３２との間にＲＦシールド３８を介挿するとともに、液体窒素用デュワ３２の内部の上部に液体窒素吸収材３９を挿入する。また、耐圧信号ケーブルとして、複数本のリリースチューブ５３を内包したアーマードケーブル５０を用い、アーマードチューブ５０に真空ポンプ６０を接続して、リリースチューブ５３内を陰圧に保つ。
また、高耐圧耐熱密閉容器３１内に設けた圧力計６１により、高耐圧耐熱密閉容器３１内の圧力をモニタして、その検出出力により電磁バルブからなる圧力調整バルブ６２を操作して、高耐圧耐熱密閉容器３１の内圧と温度を一定に保つ。
この実施例１０の場合には、複数のリリースチューブとして、解放状態のリリースチューブ５４と陰圧に保持されたリリースチューブ５５を併せ持った構造とする。例えば、７本のリリースチューブのうち、５本は常時開放状態のリリースチューブ５４とし、２本は陰圧に保持されたリリースチューブ５５とする。
例えば、各リリースチューブ５４，５５の内径が２．４ｍｍの場合、窒素の蒸発量が８．２×１０−６ｍ３／ｓでは５本で長さ３０００ｍのリリースチューブ５４でも内部を８０Ｋ以下に保持できる。しかし、ＳＱＵＩＤの磁束トラップを解放するためのヒータによる強制昇温や、アクシデントによる急激な蒸発量の増加に排気が追いつかない場合が想定される。このようなとき、陰圧に保持したリリースチューブ５５を、内圧調整用のバイパスリリースチューブとして使用し、いち早く内部圧力の上昇に対応することができる。これは温度の保持だけでなく、機器の安全性を高めるのに有用な構造である。
なお、圧力調整バルブ６２の解放は、地上から強制的に行うことも可能であるが、内部に設けた圧力計６１によるフィードバック制御も可能である。圧力調整バルブ６２としては、電磁バルブの他、一定の圧力差で自動開閉するスプリング式のバルブを使用することも可能で、この場合はリリースチューブ内の圧力をコントロールすることで、バルブの構造は簡素化でき、非磁性化も容易である。
以上の実施例の説明においては、各実施例毎に適用深度を目安として示しているが、高深度用の探査装置を低深度の探査に用いても良いことは言うまでもない。また、各実施例の説明においては、液体窒素用デュワの内側の真空層にメッキを施すことは言及していないが、メッキを施しても良いことは言うまでもない。
また、後半の実施例において各特徴点以外に備えているＲＦシールド及び液体窒素吸収材に関しては適宜用いれば良いものであり、必須ものではない。また、温度計や漏水検知器等も必要に応じて適宜設けても良いものである。
１０ センサ用高耐圧冷却容器
１１ 耐圧密閉容器
１２ 保護内装
１３ 相転移冷却剤保温容器
１４ 温度計
１５ 圧力センサ
１６ 漏水検知器
１７ 相転移冷却剤リリース用チューブ
１８ 相転移冷却剤
２１ センサ
２２ 信号入出力用ケーブル
２３ センサ制御系
３１ 高耐圧耐熱密閉容器
３２ 液体窒素用デュワ
３３ 液体窒素
３４ ＳＱＵＩＤ
３５ ＳＱＵＩＤ制御系
３６ 耐圧信号ケーブル
３７ リリースチューブ
３８ ＲＦシールド
３９ 液体窒素吸収材
４０，５０ アーマードケーブル
４１，５１ 信号線
４２，５２ 金属ワイヤ
５３，５４，５５ リリースチューブ
６０ 真空ポンプ
６１ 圧力計
６２ 圧力調整バルブ
１１ 耐圧密閉容器
１２ 保護内装
１３ 相転移冷却剤保温容器
１４ 温度計
１５ 圧力センサ
１６ 漏水検知器
１７ 相転移冷却剤リリース用チューブ
１８ 相転移冷却剤
２１ センサ
２２ 信号入出力用ケーブル
２３ センサ制御系
３１ 高耐圧耐熱密閉容器
３２ 液体窒素用デュワ
３３ 液体窒素
３４ ＳＱＵＩＤ
３５ ＳＱＵＩＤ制御系
３６ 耐圧信号ケーブル
３７ リリースチューブ
３８ ＲＦシールド
３９ 液体窒素吸収材
４０，５０ アーマードケーブル
４１，５１ 信号線
４２，５２ 金属ワイヤ
５３，５４，５５ リリースチューブ
６０ 真空ポンプ
６１ 圧力計
６２ 圧力調整バルブ
Claims (14)
- １．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する耐圧密閉容器と、
前記耐圧密閉容器内に収容される相転移冷却剤保温容器と、
前記耐圧密閉容器に接続された１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を有する相転移冷却剤リリース用チューブと
を備えたことを特徴とするセンサ用高耐圧冷却容器。 - 前記相転移冷却剤は液体窒素であり、センサは高温超電導ＳＱＵＩＤであることを特徴とする請求項1に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記１．０ＭＰａ以上の耐圧性能を実現する耐圧外装、前記耐圧密閉容器をシールするシール材料、及び前記耐圧密閉容器内に設けられる保護内装が、非磁性且つ耐熱２００℃以上の材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記相転移冷却剤保温容器は、内径に対して長さが１０倍乃至５０倍のガラス製真空デュワであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記耐圧密閉容器の内部に、５０ＫＨｚ以上の高周波を遮断するＲＦシールドを備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記ＲＦシールドが、Ｎｉ-Ｃｕメッキからなることを特徴とする請求項５に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記相転移冷却剤保温容器の内部に、相転移冷却剤吸収材を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記相転移冷却剤リリース用チューブが、複数のチューブの集合体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記耐圧密閉容器に接続された信号入出力用ケーブルを備え、
前記信号入出力用ケーブルに前記相転移冷却剤リリース用チューブが内包されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。 - 前記相転移冷却剤リリース用チューブの内圧を、前記耐圧密閉容器内の圧力に対して陰圧に保持し、且つ、前記耐圧密閉容器内の圧力を０．０４ＭＰａ乃至０．１３ＭＰａに保持する圧力保持機構を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。
- 前記耐圧密閉容器の内部に圧力センサを有し、
前記圧力保持機構が前記圧力センサの検出出力をフィードバック制御によって前記耐圧密閉容器の温度を一定に保つ機構を有することを特徴とする請求項１０に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。 - 前記圧力保持機構が、予め前記相転移冷却剤リリース用チューブ内を陰圧に保つ減圧機構と、前記相転移冷却剤リリース用チューブに設けられたバルブを開閉する開閉機構と
を備えていることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。 - 前記耐圧密閉容器に接続された信号入出力用ケーブルを備え、
前記信号入出力用ケーブルに複数本の前記相転移冷却剤リリース用チューブが内包されており、
前記複数本の相転移冷却剤リリース用チューブが、
常時大気に対して解放状態の相転移冷却剤リリース用チューブと、
内部を陰圧に保持し且つバルブを介して前記耐圧密閉容器の内部と接続されている相転移冷却剤リリース用チューブとからなることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ用高耐圧冷却容器。 - 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のセンサ用高耐圧冷却容器の前記相転移冷却剤保温容器の内部に相転移冷却剤を収容するとともに、前記相転移冷却剤内にセンサを浸漬したことを特徴とする地下探査装置。
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